（模式识别与智能系统专业论文）arm微处理器在电力系统线路保护中的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着国民经济的快速发展，电力系统的规模越来越大，结构也越来越复杂。 在整个电力系统中，由于人为或大自然的因素，发生各种各样的故障，往往导致 系统运行不正常。因此，保障电力系统安全可靠运行，提高电能质量是研究的重 要课题。继电保护系统能反映电力系统故障和不正常状态。一旦出现这些状况， 保护系统将会使断路器跳闸或发出报警，自动、迅速和有选择地切除故障组件， 使电力系统免遭损坏。 微机保护系统是继电保护的第4 代改进系统，是目前继电保护领域的重要研 究课题。本文基于对传统继电保护系统的对比研究，提出了一种基于a r m 9 的微 机保护系统通用开发平台。文中详细讨论了该系统的原理与构成：着重分析了以 a t m e l 公司3 2 位嵌入式微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的嵌入式系统硬件设计原理， 给出了电路设计原理图。并以1 1 0 k v 线路保护的实际应用为例，讨论了系统的配 置、软件设计以及相应的抗干扰措施。 本文研究设计的微机保护系统具有网络化、智能化和综合自动化的特点，系 统可提供多种通讯方式，具有可靠性高、 法具有运算速度快和精度高的双重优点； 好的电磁兼容特性。 扩展能力强等特点；选取的微机保护算 提出的抑制电磁干扰措施使系统具有良 该系统目前已通过调试，初步运行效果表明，该设计是成功的，动作快速准 确，通信可靠，各项性能指标和功能均达到预期目标和要求。随着计算机技术的 发展，基于嵌入式实时操作系统的微机保护装置将是电力系统微机保护的主要发 展方向。 关键词：电力系统，微机保护，a r m 9 ，线路保护，电磁干扰 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h es c a l eo fp o w e rs y s t e m b e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e r , a n di t ss t r u c t u r eg e t sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d b e c a u s eo f t h ei n f l u e n c eo fm a l l m a d eo rn a t u r ef a c t o r s ，s o m ef a u l t sr e s u l t si nt h es y s t e mo u to f a c t i o n ，w h i c ha l w a y sh a p p e n s t h e r e f o r e ，i ti sa ni m p o r t a n tt a s kt og u a r a n t e et h a tt h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e mr u n si ns a f er e l i a b i l i t y , a n di m p r o v et h eq u a l i t yo fp o w e re n e r g y t h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mi sa na u t o m a t i o ns y s t e mt h a tc a nd e t e c tt h ef a u l ta n d d e v i a n ts t a t eo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a n dd r i v et h eb r e a k e r sa c t i o no rs e n do u tt h e a l a r mm e s s a g e t h er o l eo fp r o t e c t i o nr e l a ys y s t e mi st oc u to f ft h ef a u l tm o d u l ei n a u t o m a t i c ，r a p i da n ds e l e c t i v em a n n e rs oa st oa v o i dd e s t r o y i n gs y s t e m m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ns y s t e mi st h ef o u r t ha g eo fr c l a yp r o t e c t i o ns y s t e m n o w a d a y s ，i th a sb e c o m et h em a i nr e s e a r c hs u b j e c ti nt h ed o m a i no fr e l a yp r o t e c t i o n t h ep a p e rp u t sf o r w a r dau n i v e r s a la r m 9 p l a t f o r mo f m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ns y s t e m b a s e do nc o m p a r i s o nr e s e a r c ho ft h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nr e l a ys y s t e m t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dt h em o d e lo ft h es y s t e md e t a i l e d l y ；a n a l y z e st h eh a r d w a r e d e s i g np r i n c i p l eb a s e do nt h e3 2 b i t se m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra t 9 1 r m 9 2 0 0p r o d u c e d b ya t m e lc o r p ；s h o w st h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a m a tt h es a m et i m e ，t a k i n gt h e e x a m p l eo f11 0 k vl i n ep r o t e c t i o n ，d i s c u s s e st h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，s o f a w a r ed e s i g n a n dr e l e v a n ta n t i - j a m m i n gm e a s u r e m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa s n e t w o r k ，i n t e l l i g e n c e a n d i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ，a n dp r o v i d e s a v a r i e t y o f c o m m u n i c a t i o nw a y sw h i c hp o s s e s sh i g hr e l i a b i l i t ya n dt h ea b i l i t yo fe x t e n s i b i l i t y ；t h e m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na r i t h m e t i c ss e l e c t e dt a k eo nt w oe x c e l l e n c e so ft h er a p i d s p e e da n dt h eh i g hp r e c i s i o n ；t h em e a s u r e st o r e s t r a i ne m i ( e l e c t r om a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) e n a b l et h es y s t e mt oo w n n i c ee m c ( e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) a tp r e s e n t ，t h es y s t e mh a sg o tt h r o u g ht e s t ；t h ep r e l i m i n a r yr u n n i n ge f f e c ts h o w s t h a tt h ed e s i g ni ss u c c e s s f u l i th a sf a s t r e s p o n s ea n dc o r r e c tc o m m u n i c a t i o n ，i t s p e r f o r m a n c ea n df u n c t i o nm e e t st h ed e s i g n e dr e q u i r e m e n t sa n dt a r g e t a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt h c h n o l o g y , t h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e d o nt h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mw i l lb e c o m et h em a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o n o f r e l a yp r o t e c t i o nb a s e do nm i c r o c o m p u t e ri np o w e rs y s t e m i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n , a r m 9 ，l i n ep r o t e c t i o n ，e m i i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得重废太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 为人彤 签字日期： 妒7 年歹月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：i 弓九新 签字i e i 期：m 7 年月日 导师签名：罕为怠 签字日期：z 济彳月f 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 继电保护概述 电力系统经常发生各种故障，进入不正常运行状态，可能引发事故，并导致 用户停电或电能质量下降，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。继电保护装置 能检测电力系统故障及不正常运行状态，动作于断路器跳闸、自动隔离故障，或 发出故障告警信号，有助于运行人员或其它自动装置进行故障处理。因此，继电 保护是保障电力系统稳定运行的重要手段【l 】。 1 1 1 国内外研究现状 电力系统继电保护研究的内容主要包括两个方面：一是指实现继电保护的各 种原理；二是指组成继电保护的各种装置。 继电保护原理是伴随着电力系统的发展而不断发展的。由于电力系统规模的 扩大和电压等级的提高，为了保证电力系统安全可靠的运行，必须研究动作速度 快、灵敏度高和选择性好的继电保护原理。继电保护原理经历了从简单的电流保 护逐步向复杂的距离保护和高频保护发展的阶段。 继电保护装置的发展则依赖于构成继电保护装嚣元器件技术的发展。其发展 大致经历了四个阶段，即从电磁型、晶体管型( 又称半导体型或分立元件型) 、集 成电路型到微机型( 计算机型) 保护的发展历程。 现在的计算机式继电保护起源于2 0 世纪6 0 年代中后期，在英国、澳大利亚 和美国的一些学者的倡导下开始进行研究。当时的研究工作主要是作理论探索及 实验室作样机试验。首先进行的是理论计算方法和程序结构的研究。数值计算是 在所谓“采样值”基础上进行的，即是将电流、电压的模拟量在恒定时间间隔的 有关时刻的采样值进行数字化以后，通过计算机对这些数字量进行运算处理，以 实现所要求的继电保护功能。在整个2 0 世纪7 0 年代，各国的专家学者围绕算法 理论作了大量的研究工作，为计算机继电保护的发展奠定了比较完整和牢固的基 础。经过2 0 世纪8 0 年代的继续努力，现在计算机保护的算法己比较完善和成熟。 此外，计算机的硬件在2 0 世纪6 0 年代是非常昂贵的，1 9 7 2 年的世界上第一台计 算机保护样机p r o d a r 一7 0 虽然投入了试运行，但与商业的实用阶段相差很 远。在2 0 世纪7 0 年代初、中期出现了微处理器微型计算机后，情况迅速改 观。由于微型计算机的性能价格比提高得非常迅速，导致计算机继电保护的商业 化程度得到了飞速的发展。在个别国家，到2 0 世纪8 0 年代中期计算机已得到了 相当普遍的采用，在其他一些国家也先后得到相应的发展。 我国自1 9 7 9 年开始从事这方面的研究和探索。起初是在高等院校和一些科研 重庆大学硕士学位论文1 绪论 单位开展微机继电保护的研究工作。1 9 8 4 年，华北电力大学研究的微机线路保护 装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置，揭 开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的发展开辟了道路。此后，天 津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西 安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于 1 9 9 3 、1 9 9 6 年通过鉴定。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发 电机失磁保护、发电机保护和发电机、变压器组保护也相继分别于1 9 8 9 、1 9 9 4 年 通过鉴定，投入运行。到目前为止，微机保护装置已经涵盖了常规保护的所有领 域。同时，随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很 多理论成果。可以说从2 0 世纪9 0 年代开始我国继电保护技术己进入了微机保护的 时代2 卅。 1 1 2 微机保护的基本组成结构 继电保护的任务是判断电力系统有关设备是否发生故障而决定是否发出跳闸 命令，使发生故障的设备尽量迅速地与电力系统隔离。所以，首先需要提取与保 护设备有关的故障信息，再由这些信息根据相应的原理，进行综合和逻辑判断， 最后做出决断，并付诸执行。因此，继电保护的基本结构大致可分为三部分：测 量单元、逻辑单元、执行单元。 输入信号通常包括电压电流模拟量和开关量以及一些通讯数据。在测量部分 中，由于计算机是数字电路，其工作电平比电力系统互感器的二次输出信号电平 还低。因此，微机保护要对输入模拟信号进行预处理，再经计算机采样计算后与 已给定的整定值进行比较。逻辑单元包括信息的综合、分析与逻辑加工、决断等 环节，微机保护与常规的模拟保护的区别主要在于微机保护是用数字技术进行数 值( 包括逻辑) 运算来实现这些功能，其数字和逻辑运算通过软件实现，即这些运 算要通过预先按一定的规则( 语言) 制定计算机程序来完成。所以，可以说微机保 护是由“硬件”和“软件”两部分组成的，硬件是实现继电保护功能的基础。而继电保 护原理是直接由软件，即由计算程序来实现的，程序的不同可以实现不同的原理。 执行单元是根据逻辑单元传送的信号来完成保护装置所担负跳闸和发信号任务 的。 微机保护的主要部分是计算机系统，用于分析计算电力系统的有关电气量和 判定系统是否发生故障，然后决定是否发出跳闸信号。因此，除微机系统主体外， 还必须配备自电力系统向计算机送入有关信息的输入接口和向电力系统送出控制 信息的输出接口。此外，微机保护系统还具有相关监控和操作程序，输出信息记 录，以供运行人员操作参考。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 3 微机保护的特点 随着继电保护发展，微机保护装置已在电力系统广泛运用，并且越来越受到 相关人员的欢迎，与常规的继电器型或晶体管型保护装置相比，表现出以下的优 越性【3 】【4 1 ： 灵活性强。由于微机保护装置是由软件和硬件结合来实现保护功能，且硬 件比较通用，制造标准容易统一。因此在很大程度上，不同原理的继电保护装置 的硬件可以是一样的，换以不同的程序即可改变继电器功能。 综合判断能力强。利用微计算机的逻辑判断能力，易于解决常规继电保护 中用模拟电路很难实现的问题，可以使继电保护的动作规律更合理。 性能稳定可靠。微机保护的功能主要取决于算法和数据。对于同类型的保 护装置，只要程序相同，其保护性能必然一致，性能稳定，数字元件的特性不易 受温度变化、电源波动、使用年限的影响。 微机保护利用微机的记忆功能，可明显改善保护性能，提高保护的灵敏性。 例如，利用其很强的记忆功能能更好地实现故障分量保护，有利于新保护原理的 实现。 微机保护可融入现代新技术，如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经 网络等，以方便实现故障自诊断、自闭锁和自恢复等功能。 可以方便地扩充其他辅助功能，如打印故障前后电量波形故障录波、 波形分析；打印故障报告；利用线路故障记录的数据进行故障定位；通过计算机 网络、通信系统实现与厂站监控交换信息等。 优越的工艺结构条件。由软件可实现多种保护功能，可大大简化装置的硬 件结构；装置体积小；功耗低。 使用方便。运行维护工作量小，现场调试方便。依据运行经验，在现场可 通过软件方法改变保护装置的特性。 1 1 4 微机保护的发展历程 随着微机保护的发展，不断有新的改善继电保护性能的原理和方案出现，但 这些新的原理和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。微机保护的 发展从硬件上看大体可分为四个阶段。 第一阶段是以单c p u 的8 位微处理器构成的微机保护装置。其主要特点为：保 护采用8 位微处理器构成微机系统，这样单c p u 需要在外部扩展很多硬件电路，总 线必须引出插件，保护装置的存储器容量也较小，程序和保护定值都放在e p r o m 中，定值的改写十分不便，保护装置仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟也就 停止运行，硬件不具备数据远距离传输的功能。由于仅有一个c p u ，所有的保护 功能只能集中由这个c p u 处理，可靠性较低。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 第二个阶段是以多个8 位单片机组成的多微机系统。其主要特点为：具有多个 8 位单片机，由于采用了单片机，需要外部扩展的硬件电路较少，因此可以做到总 线不引出插件，保护装置的定值存储在e 2 p r o m 中，修改十分方便。系统设有硬件 时钟芯片，依靠备用电源支持，装置直流电源消失后，硬件时钟可以继续运行， 设计了远距离数据传输的串行接口，由于硬件由多个单片机组成，因此一条输电 线路的多种保护功能可分散于不同的单片机系统，从而增加了保护装置的可靠性。 第三个阶段是以1 6 位m p u 构成的多微机系统。单片机内部资源丰富，具有较 大容量的r a m 和e p r o m ，因此可以做到不在芯片外部扩展存储器，总线不出芯片。 保护装置的硬件设计除具有硬件时钟外，还具备接收g p s 全球定位系统秒脉冲的接 口，具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中。 第四阶段是以1 6 位m p u + 3 2 位m p u 构成的多微机系统。由于许多外围设备都集 成在一个芯片里，具有总线不引出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能得到进一 步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。 1 1 5 微机保护的发展趋势 随着计算机技术和通信技术以及各种新方法和新理论在继电保护中的广泛应 用，微机保护技术未来趋势是向网络化、综合自动化和智能化发展。 网络化 目前，继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围( 这是首要 任务) ，还可保证整个系统的安全稳定运行。微机保护装置网络化可大大提高保护 性能和可靠性，每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保 护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全 稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装 置用计算机网络连接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。继电保护装置能够 得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈 准确。 综合自动化 继电保护、操作控制和监测的集成化称之为变电所的综合自动化。实际上， 保护装置就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一 个智能终端，它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它 所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此， 每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可 完成测量、控制、数据通信功能。 智能化 近年来，人工智能技术如自适应控制、神经网络、遗传算法、进化规划、模 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 糊逻辑控制等在电力系统各个领域都逐步得到了应用，在继电保护领域应用的研 究也开始。自适应继电保护是一种继电保护的基本原理，它使继电保护能自动地 对各种保护功能进行调节或改变，以更适合于给定的电力系统的工况。神经网络 是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂非线性问题， 应用神经网络方法则可迎刃而解。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的 求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合应用可使求解速度更快。可 以预期，人工智能技术在继电保护领域必将得到广泛应用，以解决用常规方法难 以解决的问题。 1 2 课题的背景 随着微机保护的发展，一些新的保护原理和方案，特别是基于故障波形特征 或高频分量的保护原理，以及基于a n n ( 人工神经网络) 和模糊集理论的智能保 护方案嘲【6 1 ，受到了越来越多的关注并逐步得到实际应用，然而，这些新方法在改 善保护性能的同时也对微机保护装置的计算精度与速度，以及i o 速度和寻址空间 提出了更高的要求因而也对构成微机保护装置的硬件平台提出了更高的要求。 微机保护的发展要求硬件上调试集成化、独立化、标准化，性能上高度开放 化，软件上多功能化。保护系统突出“开放性”，即要求精简系统的硬件，支持多 功能保护，多通信模式，强调保护功能的独立性，保护软件开发应用的开放性及 软件模块间的相关性。换言之，保护系统的构成最终决策权在用户，即硬件系统 平台化。 另外，通信和微电子技术的迅猛发展，为开发新一代保护装置硬件平台创造 了良好的条件。为适应上述发展的需要，微机继电保护系统呈现出以下一些特点： 采用1 6 位或3 2 位c p u 提高保护系统的性能； 采用1 4 1 6 位a d 转换器提高微机保护的精度； 采用高级语言编程，实现软件标准化、模块化及软件工程化，采用实时多 任务操作系统( r t o s ) ： 采用液晶等显示器件实现人机接口； 采用l a n 及g p s 构成通信网络，通信网络满足以下要求： 1 ) 良好的电磁兼容( e m c ) ； 2 ) 良好的系统扩展； 3 ) 高速、大容量数据传输； 4 ) 采样数据的同步； 增强的系统自检功能： 丰富的系统分析工具，程序运行“可视化”； 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 高可靠性及良好的升级能力、扩展能力。 本课题设计研究的软硬件平台能满足上述技术性能要求。 1 3 本课题研究的主要工作 本课题在总结和集成已有微机保护研究成果基础上利用a r m 微处理器，研究 开发一种新型的微机继电保护装置。本课题研究的主要工作有： 基于对传统继电保护系统的比较研究，提出新型微机保护系统方案，研究 设计硬件平台架构； 微机保护算法的实现研究； 以1 1 0 k v 线路保护的实际应用为例，设计一个微机保护系统； 研究微机保护系统的抗电磁干扰措施。 1 4 本章小结 本章通过对国内外继电保护研究情况以及未来发展形势的分析，指出了本文 所要进行的主要工作。 6 重庆大学硕士学位论文 2a r m 处理器概述 2 a r m 处理器概述 2 1a 砌简介 a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司成立以来，一直以i p ( i m e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制造 商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗 低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在 3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上的3 2 位嵌入式 产品市场。在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设计、 生产a r m 芯片的国际大公司已有5 0 多家。 目前a r m 处理器【7 - 2 0 主要有5 大系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、 s e c u r c o r e ，还有与i n t e r 合作实现的x s c a l e 以及s t r o n g a r m 处理器。自v 5 以后， a r m 公司提供p i c c o l 0d s p 的芯核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e m o i l c h i p ) 结构的芯片。此外，r a m 芯片还获德了许多实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 供应商的支持，比较知名的有：w i n d o w sc e 、l i n u x 、p s o s 、 v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、uc o s 、b e o s 等。 在a r m 内核中有四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配 置生产。这四个模块分别用t 、d 、m 和i 来表示。 t ：表示t h u m b ，该内核可以从1 6 位指令集扩充到3 2 位a r m 指令集。 d ：表示d e b u g ，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链 j 1 a g ，可使c p u 进入调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试。 m ：表示m u l t i p l i e r ，是8 位乘法器。 i ：表示e m b e d d e di c el o s i c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分， 其中的t a p 控制器可接入到边界扫描链。 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为三级流水，空间统一的指令与 数据c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。其中的a r m 7 1 0 ，a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核。 a r m 7 t d m i c ( t h u m b ) 是公司授权用户最多的一项产品，a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试 技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器最适合用于对价位和功 耗要求较低的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 7 重庆大学硕士学位论文 2a r m 处理器概述 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便； 极低的功耗，适合对功耗要求较低的应用，如便携式产品； 能够提供o 9 m i p s m h z 的三级流水线结构； 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集； 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo s 等； 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r mi o e 系列兼容，便于用户 的产品升级换代； 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 9 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理以及分离的c a c h e 结构， 平均功耗为0 7 m w m h z 。时钟速度为1 2 0 m h z 2 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 5 个时钟周期。与a r m 7 系列相似，其中的a r m 9 2 0 、a r m 9 4 0 和a r m 9 e 均为含 c a c h e 的c p u 核。性能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0 m h z 时钟，3 3 v 供电模式) 或2 2 0 m i p s ( 2 0 0 m h z 时钟) 。a r m 9 配备t h u m b 扩展、调试和h a r v a r d 总线。在生产工艺相 同的情况下，性能是a r m 7 t d m i 的两倍之多。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制 器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。 a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需要同时使用 d s p 和微控制器的应用场合。 a r m 9 e 系列微处理器主要应用于下代无线设备、数字消费品、成像设备、 工业控制、存储设备和网络设备等领域。 a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s 三种类 型，以适用于不同的应用场合。 a r m l 0 采用a r m v s t 结构，六级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构。 平均功耗为1 0 0 0 m w ，时钟速度为3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个周期，其中 a r m1 0 2 0 为带c a c h e 的版本。a r m l 0 t d m i 与所有a r m 核在二进制级代码兼容， 内带高速3 2 x1 6 m a c 预留d s p 处理器接口。其中的v f p i o ( 矢量浮点单元) 为 七级流水结构。a r m l 0 2 0 t ：a r m i o t d m i + 3 2 k i & dc a c h e s + m m u 结构，3 0 0 m h z 时钟，功耗为i w ( 2 0 v 供电) 。指令c a c h e 和数据c a c h e 分别为3 2 k ，宽度为6 4 b i t s 。 能够嵌入多种商用操作系统。适用于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消 费类应用。 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结 构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同 s 重庆大学硕士学位论文 2a r m 处理器概述 时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 a r m i o e 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、 工业控制、通信和信息系统等领域。 a r m l 0 e 系列微处理器包含a r m l 0 2 0 e ，a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s 三种类 型，以适用于不同的应用场合。 s e e u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术 的安全解决方案。因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功 耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于对安全性要求较高的应用产品及应用系 统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e e u r c o r e s c l l 0 、s e c u r c o r e s c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用场合。 i n t e r s t r o n g a r ms a - 1 1 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位r i s c 微处理器。它融合了i n t e r 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结构的电源效率， 在软件上兼容a r m v 4 体系结构、具有i n t e l 技术优点的体系结构。 i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已 经成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性 价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已经使用在 数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 x s c a l e 处理器是i n t e r 目前主要推广的一款a r m 微处理器。 2 2a r m 微处理器结构 2 2 1 砒s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有其 固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这 些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令集的各种指 令中，其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代 码的8 0 ，而余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 ，显然， 这种结构是不太合理的。 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地去减 少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度 上。r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固 定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措 9 重庆大学硕七学位论文 2a r m 处理器概述 施来达到上述目的。 到目前为止，r i s c 体系结构也还没有严格的定义，一般认为，r i s c 体系结 构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单，基本寻址方式有2 3 种； 使用单周期指令，便于流水线操作执行； 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指 令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下 尽量缩小芯片的面积，并降低功耗； 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执 行效率； 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率： 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理； 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为r i s c 架构就可以取代c i s c 架构。事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限并不那么 明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如超长指令 集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的优势，已成为未来的c p u 发展方向之一。 2 2 2a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器；6 个状态寄 存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用了 其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有 一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括 1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存 器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是 在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 2 2 3a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器在新体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令 集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为 a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上 的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2a r m 处理器概述 2 3 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 2 3 1 内核a r m 9 2 0 t 简介 a r m 9 系列处理器使用删9 t d m i 处理器内核，包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，适用于不同的市场需求。a r m 9 t d m i 内核采用五级流水 线，单一的3 2 位基于先进微控制器总线结构( a m b a ) ，内存保护单元( m p u ) 支持r t o s 。 a r m 9 2 0 t 核在通用a r m 9 t d m i 内核的基础上增加了存储管理单元( m m u ) 和指令与数据缓存( c a c h e ) 。在基于a r m 的嵌入式系统中，存储系统通常是通过 控制系统协议处理器c p l 5 完成的，除了c p l 5 外，在具体的各种存储器管理机制 中可能还会用到其他的一些技术，如在存储管理单元中除了c p l 5 外还使用了页 表。在a r m 中采用了页式虚拟存储管理，虚拟地址空间分为一个个固定大小的块， 每一块为一页，物理内存的地址空间也分成同样大小的页，页的大小分为粗粒度 和细粒度两种，存储管理单元主要用来完成虚拟存储空间到物理存储空间的映射。 m m u 设置了虚拟存储空间的缓冲特性，控制对存储器访问的权限。a t 9 1 r m 9 2 0 0 中的m m u 支持4 9 i g a b y t e 的虚拟地址空间供内核和外围使用，并支持w i n d o w sc e 、 p a l mo s 、s y m b i a no s 、l i n u x 等实时操作系统。通常a r m 处理器的主频为几十 m h z ，有的已达到2 0 0 m h z ，而一般的主存储器采用动态存储器( d r a m ) ，其存 储周期仅为1 0 0 n s 2 0 0 n s ，如果指令和数据都存放在主存储器中，主存储器的速 度将会严重制约整个系统。高速缓冲存储器( c a c h e ) 和写缓冲器( w r i t eb u f f e r ) 位于主存储器和c p u 之间，c a c h e 与主存储器之间以块( c a c h el i n e ) 为单位进行数据 交换。在程序中通常相邻的一段时间c p u 访问相同的数据的概率是很大的，这种 规律称为时间局部性。时间局部性保证了系统采用c a c h e 后，通常性能都得到很大 的提高。 2 3 2a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器基本特点 a t 9 1 r m 9 2 0 0 l z ij t z z l 是基于a r m 9 2 0 t 内核、a r m t h u m b 指令集的完整片上 系统，工作在1 8 0 m h z 频率下的运算速度可高达2 0 0 m i p s 。a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了 丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为微机保护装置提供一个单片解决方 案。a t 9 1 r m 9 2 0 0